物理与工程

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教学研究

  • Redish教学法则及其启示

    邓婉林;黄致新;

    作为美国物理教育研究领域的代表人物,马里兰大学帕克分校的物理学教授Edward F. Redish在2003年出版了《Teaching Physics with the Physics Suite》一书,推动了美国的物理教育研究改革运动。在该书中,Redish提出了九条教学法则,我们认为这些对我国的大学物理教学具有一定的启示,因此本文对其进行了梳理和总结。Redish认为,在教学目标上,教师应当强调教学本质,帮助学生构建有效且科学的心智模型,发展复杂的学习思维模式;在教学评价上,教师需要采用多元的考试题型,激活学生不同的知识与技能;在教学过程上,教师应当注重师生关系,尊重、关心、倾听学生。

    2023年03期 v.33;No.215 3-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 296K]
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  • 科研反哺教学的固体物理学课程教学改革与实践

    陈明星;欧阳方平;

    固体物理学被认为是本科物理学专业最难的课程之一,也是与凝聚态物理科研前沿联系最为密切的课程之一。近年来,凝聚态物理学发展迅猛,诞生了二维材料、拓扑绝缘体等一系列新的研究方向。本文总结了笔者结合自身经历将科学研究进展融入固体物理课程教学的若干尝试,包括引入晶体结构可视化软件,转角石墨烯结构的构建,石墨烯能带结构和能态密度,自旋-轨道耦合与Rashba效应以及热电效应和热电输运系数等,有效促进了学生对固体物理基本概念和计算方法的理解。

    2023年03期 v.33;No.215 10-13+20页 [查看摘要][在线阅读][下载 342K]
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  • 军医大学医工专业大学物理课程教学中相关数学问题的探索与思考

    白瑞萍;刘淑晶;吴克坚;曾召利;

    大学物理与高等数学是我校为非临床专业——生物医学工程专业开设的公共基础必修课,课程以数学物理理论为基础,旨在为医学院培养抽象思维、逻辑思维、空间想象能力等突出的创新型人才。本文以军医大学生物医学工程专业数学物理课程中采用的同济大学版《高等数学》(第六版)与《大学物理》(康颖主编,第四版)教材为依据,列举分析了军医大学生物医学工程专业数学物理课程部分内容上的异同,用数学方法严格推导了高斯定理,从物理上说明了其内涵,并对高斯定理与高斯公式的异同进行了对比,提出了如何让军医大学非临床专业学生学好大学物理课程的思考。

    2023年03期 v.33;No.215 14-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 173K]
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  • 新高考背景下医用物理学与高中物理教学衔接调研和探究

    刘淑静;刘峻宇;唐万宇;谢明念;罗明艳;巨丹丹;王大珅;储信炜;吉强;

    因物理学科相对偏难、新高考政策和等级赋分等综合因素,选考物理的人数大幅下降,导致大学生物理基础知识薄弱,对大、中物理的有效衔接教学带来了挑战。本文针对天津医科大学2020级各专业学生问卷调查结果,从多角度对比未选考物理和选考物理的学生在物理基础知识结构上差距,分析两者学习医用物理学的不同步,研究作为本校衔接教学措施的线上医用物理学先导课的教学效果,在此基础上梳理医用物理学与高中物理课程有效衔接的主要方法和途径,期望有效提高医用物理学的教学质量,对医药类高校的学生、物理教师和教学管理人员都有一定参考价值和启示。

    2023年03期 v.33;No.215 21-27页 [查看摘要][在线阅读][下载 456K]
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  • 中国航天工程视角下的大学物理课程思政建设探索与实践

    李均;钱程屹;袁承勋;李杨;吴晓宏;田浩;张宇;霍雷;

    新时代加强和改进思想政治工作需要教育工作者以立德树人为根本任务,坚持守正创新。本文立足于中国航天工程视角,在哈尔滨工业大学勇担中国航天第一校尖兵重任的背景下,以新角度设计大学物理学的课程思政,进行探索与实践。提出了中国航天工程视角下,大学物理课程思政的“三线”设计。并围绕“X+工程线”的课堂教学模式,给出气体专题、电磁波与量子力学专题的两个课程思政实践案例,为大学物理课程思政的设计引出更宽阔的道路。

    2023年03期 v.33;No.215 28-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 183K]
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  • 小汽车能否“拯救”濒临落崖的重卡

    王永康;田展;陈奎孚;常正;

    涉及力量与技巧的视频广告对社会大众具有独特的吸引力,挖掘其中的科学原理和物理元素,既能促进科普、激发大众物理兴趣,也能有效丰富课堂教学。本文聚焦某品牌汽车营救濒临坠崖重型卡车的视频广告,通过对广告场景的物理力学建模,揭示汽车“以弱胜强”的关键并非广告宣称的动力性能,而是得益于广告场景中粗糙地面提供的较大摩擦力以及卡车空载导致的较小翻转力矩。该视频广告具有震撼性和趣味性,是优秀的科普素材。本文的相关分析综合应用了物理教学中多个重要知识点,富有启发性和知识性,可作为丰富课堂教学活动的典型案例推广使用。

    2023年03期 v.33;No.215 34-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 159K]
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  • 基于Blackboard平台的热学混合式学习投入影响因素研究

    孔红艳;邱迪;

    混合式学习投入是衡量学生混合式学习质量的关键因素。研究以利用Blackboard平台开展的热学课程为例,基于国际经典学习投入测量量表,构建热学混合式学习投入及影响因素的结构方程模型。采用问卷调查收集数据,分析了教师层面、学生层面及媒体层面对学生热学混合式学习投入的影响及作用机制。研究表明,学生层面对热学混合式学习各个阶段的学习投入均存在显著的正向影响;媒体层面在教师与学生层面之间存在中介效应,教师通过Blackboard平台的交互等功能影响学生个体层面,进而间接影响学生的热学混合式学习投入水平。在此基础上,为在特定情境下开展混合式学习提供参考与建议。

    2023年03期 v.33;No.215 38-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 393K]
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  • 物理学中的“降维打击”

    郑华;王新刚;朱励霖;

    维度是物理学习和研究中的一个重要概念。在处理复杂物理问题时,通常采用降维的方法对问题进行简化,进而在低维空间中对简化后的问题进行分析和求解。然而在面对具体物理问题时,有时候增加系统的维度反而会使问题的分析变得更加直观和简单。本文以几个具体的物理问题为例,展示如何通过提升系统的维度来有效解决低维中遇到的一些困难。本文旨在强调“降维打击”思想在物理教学中的意义,目的在于培养学生的发散思维能力。

    2023年03期 v.33;No.215 46-48+63页 [查看摘要][在线阅读][下载 120K]
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  • 关于二分点进动的一种计算方法

    赵强;刘萍;张喆;

    本文首先推导出了一个大圆环给处在其环心位置的小圆环的引力力矩公式,然后利用此公式计算出了月亮及太阳给赤道环的合力矩,从而用简洁地方法解释了二分点进动的周期。

    2023年03期 v.33;No.215 49-51+56页 [查看摘要][在线阅读][下载 158K]
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  • 外尔半金属薄膜的介电张量及色散性质研究

    王佐宏;钱黎明;郑改革;

    外尔半金属(WSM)是一种以外尔费米子为准粒子的新型拓扑材料,具有优异的物理和光学特性。在光与WSM相互作用的过程中,材料的介电函数起到十分关键的作用。从修正的电位移矢量和电场强度关系出发,通过介电函数张量比较了不同费米能级情况下WSM介电常数的变化。在此基础上,引入4×4的磁光矩阵来求解麦克斯韦方程组,得到菲涅尔反射系数,研究波矢的色散方程。研究结果表明,WSM的色散在短波矢处具有线性色散,而在长波矢极限近似具有恒定频率。当WSM厚度的持续增大时,能够支持更多的模式分支。

    2023年03期 v.33;No.215 52-56页 [查看摘要][在线阅读][下载 216K]
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物理实验

  • 更准确地探究浮沉子临界深度与其初始气体体积和初始气压关系的方法(英文)

    诸思吟;周诗韵;

    本研究的目的是研究初始气体体积和气压对浮沉子临界深度的影响。以透明长圆柱管为容器,塑料管为浮沉子,我们通过实验证明了临界深度h_c与浮沉子内部初始气体体积V_(air0)的线性关系,以及临界深度h_c与长管内初始气压P_(tube)的线性关系。为了提高实验的准确性,必须仔细控制自变量V_(air0)。因此,我们重点关注临界深度h_c与初始气体体积变化量ΔV_(air0)之间的关系,而不是原来的V_(air0),从而通过使用注射器向浮沉子内添加空气,将气体体积控制精度从1mL提高到了0.01mL。

    2023年03期 v.33;No.215 57-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 277K]
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  • 基于Mathematica的杨氏双缝干涉的仿真实验研究

    王程;邓王红;孙飞;

    以杨氏双缝干涉理论作为基础,利用Mathematica强大的交互式操作和色彩显示功能,通过编程对杨氏双缝干涉现象进行仿真,可以灵活地调节参数,动态地反映干涉条纹随参数的改变而发生变化的过程。本文模拟了改变缝宽、缝和接收屏之间的距离和波长参数及外加因素等,观察到双缝干涉条纹的相应变化,最后成功实现了非单色光双缝干涉图样。利用Mathematica软件仿真典型的光学实验,仿真图像能形象直观地展示光学现象可应用于辅助教学。

    2023年03期 v.33;No.215 64-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 268K]
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  • 抖空竹,说物理——中国传统游戏与大学物理教学

    石宏霆;刘兆龙;王菲;胡海云;

    “抖空竹”是一项有着悠久历史的中国传统经典游戏。我们将它引入大学物理教学,挖掘其中蕴含的物理知识,包括刚体定轴转动定律、回转体进动、绳缠绕问题等,并用于课堂演示实验与互动。从物理角度探讨空竹游戏,将中国元素融入大学物理教学,集知识性、趣味性、思想性于一体,寓教于乐。这种授课模式,既加深了学生们对物理知识的理解,又弘扬了中国传统文化。

    2023年03期 v.33;No.215 70-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 260K]
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  • 锁相放大技术在大学光谱实验教学中的应用

    邓冬梅;邵明珍;

    目前大学物理实验中的光谱测量实验通常为针对氢氘灯、钠光灯等强信号的测量。在实际应用中,往往需要测量微弱的光信号。传统测量微弱光信号主要利用电荷耦合器件的长时间积分来实现,然而昂贵的价格使其不能大规模应用于本科实验教学。锁相放大技术是利用互相干方法在嘈杂背景环境中提取微弱信号,在半导体材料光谱测量技术上可以对微弱透射光信号进行探测。结合其相对低廉的价格,有望在本科光谱实验教学方面发挥优势。结合锁相放大技术和光谱测量技术搭建了半导体吸收光谱教学实验平台,向学生介绍基于锁相放大技术的微弱信号光谱测量方法。并利用实验结果分析半导体材料吸收系数随入射光子能量变化的规律,从而得出材料的禁带宽度。

    2023年03期 v.33;No.215 76-79+87页 [查看摘要][在线阅读][下载 245K]
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  • Arduino中PWM调制在电子技术实验中的应用研究

    林炳权;石皓宇;车宇;李鹏;梁飞翔;唐强;蔡志岗;

    基于开源控制平台Arduino控制器的开放性与易用性,在原有的电子技术综合实验中新增了以Arduino单片机为核心的实验教学模块。利用Arduino单片机中的脉冲宽度调制技术(PWM技术),单片机根据接收到的红外信号对应调节两个直流电机的输入电压,从而控制其转速比,进而控制由电机上的两个偏心镜反射后的点状激光的运动轨迹,利用视觉残留效果形成图案,并通过MATLAB设计了仿真实验验证了激光图案的正确性。新增教学模块扩展了传统的电子技术综合设计实验教学中焊接控制电路的内容,丰富了实验教学内容,加强对学生的编程能力和电子技术综合设计能力的培养,激发学生的学习兴趣。

    2023年03期 v.33;No.215 80-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 480K]
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  • 堑尾翼型的表面结构设计及其气动性能的仿真探究

    王涵信;卢业玮;肖新愉;李均;孟庆鑫;张宇;

    为解决传统翼型产生的边界层分离问题,提升机翼气动性能,本文基于NACA4412翼型提出了一种新翼型——堑尾翼,并在大量的仿真实验基础上证实,堑尾翼型具有比原翼型更优越的气动性能。本研究对不同形状、不同风速、不同攻角情形下堑尾翼型的升阻比增益倍数进行了系统讨论。研究数据表明,堑深为零、堑长约为翼型弦长1/3的堑尾翼型具有较优的气动性能,在中低速流场中堑尾翼最高可以得到1.6倍的升阻比增益倍数。因此,本研究可为中低速飞行器的翼型设计提供新的思路,在增大载荷的同时提高能源的利用率。

    2023年03期 v.33;No.215 88-92+98页 [查看摘要][在线阅读][下载 310K]
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  • 基于光的反射和折射原理的自动水位控制

    闫奕霏;张思恬;刘玉颖;李海艳;

    本文设计了一种基于光的反射和折射原理的自动水位控制饮水机。该装置以光的反射和折射为基础,利用Arduino UNO单片机作为控制中枢,实现自动识别不同高度的杯型,自动开始注水,并当水面到达距离杯沿1cm处自动停止注水的控制。该装置创新地利用了光的折射原理,在激光发射器和激光接收器位置不变的情况下,通过改变两个三棱镜的角度,实现对不同杯型水位的非接触性精确控制;该装置体积小巧并且简单易于操作,可以实现自动注水和自动停止注水的完全非接触性操作,减少传统饮水机由于接触性带来的交叉感染,并且该装置成本低廉,具有较强的应用潜力。

    2023年03期 v.33;No.215 93-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 388K]
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  • 居家实验:石蜡的简单热学性能测量

    迟政;缑育;韩仕豪;刘文晶;

    本文以太阳能相变蓄热领域中具有应用前景的相变材料-石蜡作为研究对象,针对与相变蓄热相关的物理性质,设计了石蜡的密度、体积膨胀率、相变温度、相变潜热的测定与研究实验。本实验包含了丰富的物理思想,同时也具有操作简便、设备简单、花费低廉、没有危险性的特点。通过该实验可锻炼实验动手能力,数据分析能力,以及加深对相关热学原理的理解。适合学生进行居家实验,是疫情期间可供选择的教学实验。

    2023年03期 v.33;No.215 99-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 158K]
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前沿物理与工程

  • 量子电子的经典轨道和黑洞熵的微观起源

    孙宇轩;曾定方;

    平方反比力驱动的一维振荡问题出现在物理学中两个非常重要的场合,即氢原子电子波函数的经典轨道解读和自引力塌缩球体的牛顿力学描述。流行观点认为这两个场合分别牵涉到“轨道概念不真实”和“牛顿力学不适用”的因素而放弃了对这个问题的深入探讨。本文指出,氢原子电子的经典轨道不仅真实而且对我们从根本上理解黑洞拥有非平庸内部结构和面积律特征的熵有非常重要的帮助。依赖于对量子化波函数的经典解释,这种内部结构可以理解为黑洞内容物在视界内以原点为中心的对穿振荡模式,也可以理解为它们在无视视界面内部体积的带洞空间中以视界面为边界的对穿振荡模式。

    2023年03期 v.33;No.215 103-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 329K]
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大中衔接

  • 第22届亚洲物理奥林匹克竞赛理论第3题介绍与解答

    李文华;刘丽飒;惠王伟;钱钧;宋峰;孔勇发;

    第22届亚洲物理奥林匹克竞赛理论部分共三道题目,第三题主要围绕瑞利散射的推导路线展开,考查了偶极子振荡、光的传播以及量纲分析等知识点,本文主要对理论第三题的命题和解答进行介绍。

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  • 月球为何没有飞向太阳?——基于学习进阶及教育支架理念的探讨

    张明硕;黄致新;熊维敏;潘艺哲;

    中学物理和大学物理在知识内容和思维方式上存在较大差异,但仍然是螺旋式上升的关系,在中学物理教学中,不能完全割裂和大学物理的联系。本文针对“月球为何没有飞向太阳”这一问题,在学习进阶及教育支架理念的指导下,探讨如何在中学阶段融入大学物理知识,促进中学物理与大学物理的衔接。

    2023年03期 v.33;No.215 120-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 186K]
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